Các loại cơ cấu gá kẹp thông dụng

Kẹp bằng ren vít.
1. Khái niệm.

Cơ cấu kẹp chặt dùng ren vít thao tác bằng tay được sử dụng khá rộng rãi  trong các đồ gá gia công trên máy cắt kim loại. Khi kẹp bằng ren vít ta dùng bu lông và đai óc để tạo ra lực kẹp. ưu điểm của kẹp bằng ren vít là : kết cấu đơn giản, có thể dùng ưong nhiều công việc khác nhau, vị trí khác nhau, lực kẹp lớn , tự hãm tốt. Nhũng ren vít có nhược điểm là phải quay nhiều vòng mất thời gian , tốn sức, lực kẹp không đồng đều ở các chi tiết gia công khác nhau, khi kẹp chặt có khả năng làm dịch chuyển chi tiết do lực ma sát trên mặt đầu của vít.

2. Kết cấu

Cơ cấu kẹp chặt dùng ren vít có thể dùng kiểu kẹp trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua đòn kẹp. Khi kẹp trực tiếp, có thể dùng kiểu vít kẹp chặt (lúc đó dai ốc là cố định), hoặc là dai ốc kẹp chặt (vít có định).

a) Cơ cấu kẹp ren vít thông qua đòn kẹp : 1-đai ốc, 2-vít, 3-tấm kẹp, 4-vòng đệm, 5-dai ốc, 6-chi tiết, 7-phiến tì, 8-thân đồ gá, 9-lò xo.
b) Kẹp chặt bằng vít tiếp xúc trực tiếp với chi tiết.
c) Kẹp chặt bằng đai ốc.
d) Kẹp chặt bằng vít thông qua miếng dệm kẹp vào ch tiết: 1-tay quay, 2-vít, 3-vít hãm ê cu, 4-thân đồ gá, 5-miếng dệm . 6-chi tiết. 7-bạc lót
– Các chi tiết chủ yếu của cơ cấu kẹp bảng ren vít

+Vít (bu lông): thường dùng bu lông tiêu chuẩn, có kích thước ưong khoảng 1 20-ỉ-140mm, đường kính M5-6H 4- M25-6H (M5-6g-ỉ-M25-6g); vật liệu làm bằng thép 45 hoặc thép 45 cần tôi đến độ cứng HRC =30-?45.
+ Miếng đệm: trong dạng sản xuất loạt lớn, hàng khối ít khi đầu vít kẹp trực tiếp lên bề mặt chi tiết (h 3-21 b); vì kẹp trực tiếp mặt chi tiết sẽ bị lõm xuống , chi tiết bị xoay do ma sát, vít nhờn sẽ lắc được trong mũ ốc, điểm đặt thay đổi.
Hình 3-22 trình bày kết cấu các loại đệm kẹp thường dùng.

 

Miếng dệm có thể lắp với trục vít bằng chốt (hình 3-22a), nhờ vòng lò xo (hình 3-22b) để miếng dệm không rời khỏi đầu óc dồng thòi lại có thể tự lựa theo chiều nghiêng của miếng kẹp, nhờ ren (hình 3-22c) dể vặn ưục vít vào ưong miếng dệm và tự lựa khi làm việc. Mặt đầu của miếng đệm hoặc phẳng hoặc khía hoa để tăng ma sát tuỳ thuộc vào mặt tiếp xúc vổi chi tiết gia công thô hay là tinh.
Miếng dệm làm bằng thép 45, tôi cứng HRC=40/ 45.
+ Ống lót:Trục vít không trực tiếp lắp với vỏ đồ gá mà thông qua ống lót trung gian. Khi ren bị mòn sẽ thay ổng lót được dễ dàng. Vật liệu chế tạo ống lót là thép 45 lôi cúng HRC 25/30.
+ Tay quay: để quay trục vít người ta dùng tay quay hoặc các núm vặn , các núm vặn chỉ dùng khi yêu cầu lực nhỏ. Vật liệu chế tạo là thép 30, 40, 45 hoặc gang dẻo.

+ Đai ốc và vòng đệm: Nếu khi thao tác để kẹp chặt không đủ không gian để đặt tay quay thì phải dùng đai ốc cao (chiều cao bằng 1,5 lần chiều cao đường kính ren) và dùng chìa vặn để quay. Kết cấu đai ốc như hình 3-23 là dai óc đã tiêu chuẩn.
Vật liệu chế tạo đai ốc thường dùng thép 35 tôi cứng HRC 33/ 38, hoặc thép 45 tôi cứng HRC 35/ 40.
+Trong các kết cấu kẹp chặt bằng ren óc thường phải có chi tiết vòng đệm, nó đảm bảo sự tiếp xúc chính xác với bề mặt kẹp chặt, làm cho trục vít không bị nghiêng lệch khi kẹp.
Vật liệu vòng dệm : thép 45 tôi đặt độ cứng HRC 40/ 45

3.Tính toán lực kẹp của cơ cấu kẹp ren vít

Ta có thể coi cơ cấu kẹp bằng ren vít là một cơ cấu kẹp tổ hợp gồm đòn có cánh tay đòn rtb và L (hình 3-24) và chêm chỉ có ma sát trên mặt nghiêng .

 

tg φ= tgφ nêu coi bề mặt ren vít như một cái chêm (nêu triển khai bề mặt ren vít ra mặt phẳng). Trong thực tế tính toán ta phải kể đến tổn thất ma sát trên bề mặt ren và nơi tiếp xúc của vít và đai ốc với phôi.
a)Kẹp chặt bằng trục vít có đầu dạng cầu.
Trên hình 3-25a, lúc này coi như chỉ có ma sát trên bề mặt ren (tức là chỉ có ma sát ưên mặt nghiêng của chêm).

Ở các mối lắp ghép có prôfil ren dạng tam giác hay hình thang, sự tiếp xúc của đai óc vói trục vít theo rành dạng chữ V, nên ma sát lúc đó lớn hơn trường hợp tiếp xúc theo phương của chêm (các điều kiện khác như nhau). Khi đó ta phải dùng hệ số ma sát qui đổi thông qua hệ số ma sát trên mặt phẳng chêm :

Các ren hệ mét tiêu chuẩn có góc nâng φ=2 …4 độ , nên tất cả các cơ cấu ren vít dùng ren hệ mét đều có tính tự hãm.
h) Kẹp chặt bằng đai ốc và trục vít có đầu dạng phẳng.
Trong trường hợp này ta phải tính thêm ma sát ở mặt đầu của đai ốc và trục vít.

+ Đối với đai ốc làm việc như hình 3-25 b (chỉ tiếp xúc trên hình vành khăn), mô men ma sát tạo ra trên mặt phăng hình vành khăn có thể tính như sau . Coi như áp suất phân bố trên diện tích tiếp xúc pi*(R2 -r2) là đều, áp suất p sẽ là :

Trong đó: dF-thành phần lực ma sát ưên hình vành khăn phân tố; p -hệ số ma sát trên mặt đầu của đai ốc. Ta có :

Sau khi xác định được σ cho phép ta thay vào các công thức (8) (11) để tìm được giá trị lực Q giới hạn đảm bảo độ bền của trục vít.
c/ Tính gần đúng.
Khi tính gần đúng, để xác định lực kẹp (KG) theo chiều dài tiêu chuẩn của tay quay (L=14d; L- chiều dài tay quay, d- đường kính danh nghĩa của ren), ta có thể sử dụng các công thức sau :
– Khi kẹp bằng trục vít có đầu dạng cầu :

4. Kẹp ren vít với đòn.

Trong nhiều trường hợp cơ cấu kẹp bằng ren không trực tiếp kẹp lên vật gia công mà thông qua một đòn kẹp trung gian để chuyển lực ban đẩu thành lực kẹp. Dùng đòn kẹp trong các trường hợp sau :
– Kết cấu đồ gá không cho phép kẹp trực tiếp, phải với đến vị trí xa hơn.
– Cần phóng đại lực kẹp.
Trên hình 3-26 biểu diễn 3 sơ dồ kẹp chặt bằng đòn kẹp, trong đó 1 là phôi và 2 là tâm quay của đôn.
Tính lực kẹp:

Thường người ta phối hợp kẹp giữa đòn và ren vít.

5. Kẹp bằng bánh lệch tâm (kẹp chặt bằng cam ).
5-1. Khái niệm.

Trên các đồ gá người ta cùng sử dụng các bánh lệch tâm (cam) để thực hiện việc kẹp chặt chi tiết. Kẹp bằng bánh lệch tâm có ưu điểm là thao tác rất nhanh . Bánh lệch tâm là chi tiết dạng đĩa (trục) tròn xoay có tâm quay lệch với tâm hình học của nó một khoảng e. Khi kẹp bằng bánh lệch tâm, người ta nhờ vào tính tự hàm của nó để thực hiện việc kẹp.
– Đặc điểm:
+ Ưu điểm: kẹp nhanh, đơn giản , không cần các thiết bị phụ.
+ Nhược điểm: hành trình kẹp ngắn, lực kẹp bé (chỉ bằng 1/5-1/6 lực kẹp của ren óc), tính vạn năng kém hơn kẹp bằng ren vít, tính tự hãm kém.
– Ứng dụng: dùng trong trường hợp không có hoặc ít rung động, khi lực kẹp không cần lớn lắm.
– Vật liệu chế tạo bánh lệch tâm: Bánh lệch tâm thường làm bằng các loại thép Y7A, Y8A, 20X qua nhiệt luyện có độ cứng HRC=55-?60, bề mặt thấm các bon 0,8/ 1,2mm.

5-2. Bánh lệch tâm tròn.

Bánh lệch tâm tròn có bề mặt làm việc là mặt trụ tròn (hoặc một phần của mặt trụ tròn), tâm quay lệch với tâm hình học một đoạn là e (hình 3-28 a). về lí thuyết, phần làm việc của bánh lệch tâm có thể lấy từ k đến n tức 180°, thực tế chỉ dùng 1/6/ 1/4 vòng tròn, tức là từ 60° đến 90°, thường dùng đoạn mn (quay 90°) hoặc đoạn phụ cận hai bên điểm m có góc nâng a =35°4-45°.
Nếu khai triển phần làm việc (phần diện tích có gạch bao giừa cung kmn và vòng tròn cơ sở ) ta sẽ thấy thực chất bánh lệch tâm cũng là một cái chêm mà góc nâng α thay đổi ở từng điểm khác nhau (hình 3-28c). Tại điểm k và n góc nâng α bằng không và tại điểm m góc nâng α là lớn nhất. Góc nâng thay đổi, thì lực kẹp cùng thay đổi theo, α càng lớn thì lực kẹp càng nhỏ và ngược lại. Do đó tại điểm m có khi lực kẹp không đủ phải dùng tay gỏ vào cán cho chặt thêm và ở điểm n lực kẹp quá lớn nên khi tháo lỏng cùng gỏ cán. Tốt nhất dùng đoạn phụ cận hai bên điểm m vì ở đó góc α ít thay đổi (α hằng số) và khác không.

a) Tính lực kẹp.
Ta coi bánh lệch tâm ở đây như một cơ cấu kẹp tổ hợp gồm đòn có các cánh tay L và p và chêm có ma sát cả hai mặt (trên trục quay và tại điểm kẹp A) hình 3-28b, ta có quan hệ về lực :
Trường hợp coi cơ cấu lả lí tưởng không có ma sát:

atb- góc nâng trung bình của chêm tại điểm kẹp.
φvà φ1- góc ma sát trượt tại điểm A và tâm quay của bánh lệch tâm.
Khi tính toán ta thường chọn các trị số f=tgφ= tgφ1=0,1; atb=4°; ptb= D/2
Vói chiều dài tay quay theo tiêu chuẩn (L= 2D), có thể tính toán gần đúng theo công thức w= 12Q.
b/ Điều kiện tự hãm.
Bánh lệch tâm phải đảm bảo điều kiện tự hãm ở bất cứ điểm nào trên đoạn làm việc. Do dó nếu tại điểm m (có góc (Xmax) đảm bảo điều kiện tự hàm, thì tại các điểm khác (có góc a bé hơn) sẽ càng đảm bảo. Do dó cùng giống như chêm, điều kiện tự hâm của bánh lệch tâm là: α max  < φ+ φ1
Khi tgφ1=tgφ=0,1; φ1=φ= 5°43′ ; điều kiện tự hãm sẽ là amax<11°.
Để đảm bảo độ an toàn tự hàm cần thiết thường người ta chọn amax=8° 30′
Vì a có quan hệ vổi tỉ số D/e, nên sau dây ta tìm điều kiện tự hãm trong quan hệ giữa D và e.
Khi điểm m tiếp xúc (tức oc nằm ngang hình 3-28a) góc a lớn nhất, do đó muốn tự hãm ở vị trí làm việc này cần có :

 

Trong tiêu chuẩn, bánh lệch tâm có kích thước e=l,7/ 3,5mm và đường kính ngoài D=32/70mm.
c) Hành trình kẹp s.
Từ sơ đồ hình 3-28 b: S=esinβ; khi β=0°=>Smin=O và β=90°=>Smax= e
Như vậy hành trình kẹp bánh lệch tâm không lớn, do đó không thể dùng bánh lệch tâm dể kẹp chặt loạt phôi có kích thước dao động trong khoảng dung sai lón.
d/ Tính p và a.
Trị số trung bình atb và ptb được chọn phụ thuộc vào góc quay p của tay quay. Từ hình 3-28a ta thấy khi kẹp tại điểm in (p =0) lúc đó a có giá trị lớn nhất amax ; khi kẹp tại điểm A (hình 3-28b) lúc đó bánh lệch tâm quay một góc p, thì a<amax; khi kẹp tại điểm n, β =90°, thì a= 0. Tương tự như thế, trên đoạn km ta có tại điểm k có a=0. Có thể tính theo hai tam giác OBA và OBC, ta có :

5-3. Bánh lệch tâm đường cong Ac-si-met.

a. Tạo hình :
Trên vòng tròn cơ sở tâm O, bàn kính r0, ta phân thành nhiều góc β bằng

Trong đó: r- bán kính của một điểm bất kì trên đường cong; p- góc của một điểm bất kì trên đường cong; pn-góc kẹp giữa bán kính r0 và bán kính rn ở điểm cuối.
Góc nâng ở một điểm bất kì trên đường cong là :

5-4. Bánh lệch tâm đường cong lô ga rít.

a. Tạo hình:
Từ vòng tròn cơ sở, bàn kính r0, tâm o (hình 3-3 Oa) vẽ các tia phân giác đều chia vòng tròn thành những góc 0 bằng nhau, sao cho 0=2φ( φ là góc ma sát), từ đó lấy các bán kính:

Nổi các đỉnh bán kính lại ta sẽ được đường cong lô ga rít.
Trong khi thiết ké, có thể tạo hình một cách đơn giản và gần đúng (xem hình 3-30b):
Chia vòng tròn cơ sở thành nhiều góc bằng nhau 0=2(p, Từ A vẽ đường thẳng vuông góc với OA, được giao điểm Ab Từ A1  vẽ đường thẳng vuông góc với OA, được giao điểm A2, Từ A2 vè đường thẳng vuông góc với OA2, được giao điểm A3… Nổi A1, A2, A3…lại ta được đường cong lô ga rít.
Thật vậy, trong tam giác AA1O ta có :

5-5. Kết cấu bánh lệch tâm.

Khi thiết kế bánh lệch tâm, trước hết căn cứ vào kết cấu đồ gá để quyết định đường kính D, rồi tính độ lệch tâm e, sau đó xác định tâm quay của đồ gá, tính chiều rộng B và đường kính d, cuối cùng kiểm tra hành trình kẹp có đủ không. Hình 3-31 chỉ rõ các kiểu bánh lệch tâm.

 

Trong đó: S1 khe hở cần thiết để gá đặt phôi (thường lấy S1=O,2,…, 0,4mm); δ- dung sai kích thước của phôi tính bằng mm; J- độ cứng vững của bánh lệch tâm tính bằng kG/mm; p- góc quay của bánh lệch tâm tính bằng độ; w- lực kẹp tính bằng kG.

– Đường kính chốt d: d = W/b*σ
Trong đó :b- chiều dài chổt tiếp xúc với bánh lệch tâm tính bằng mm; ơ- áp suất dập cho phép ưên chốt (1,5 / 2,0 kG/mm2).

– Chiều dày bánh lệch tâm B xác định theo công thức : B = 0,0175*(2W.E)/(D.σ+2)
Trong dó: E- mô đun dàn hồi của vật liệu bánh lệch tâm; D- đường kính bánh lệch tâm.

3-6. Cơ cấu phóng đại lực kẹp.

Khi lực kẹp không đủ, ta cần có cơ cấu phóng đại dể làm tăng tỉ số truyền lực đến điểm đặt lực. Nhưng cơ cấu trung gian nâng cao được tỉ số truyền lực (lều gọi là cơ cáu phóng dại lực kẹp. Cơ cấu phóng đại lực kẹp giảm được sức lao động của công nhân, nhất là ưong sản xuất loạt lớn, giảm bớt nguồn động lực và giảm bớt được kích thước khuôn khổ đồ gá.
Cơ cấu phóng đại lực kẹp thường dùng: đòn bẩy, chêm, thanh truyền, các thiết bị khí nén – dầu ép và chất dẻo.

6-1. Cơ cấu phóng đại lực kẹp hằng thanh truyền.

Hình 3-32 là sơ đồ cơ cấu phóng đại lực kép có một thanh truyền dùng con lăn. Nhờ thanh 1 đẩy vào đòn kẹp 2, đòn kẹp 2 kẹp vào chi tiết 3. Thanh 1 nằm ổ vị ưí cân bằng. Lực phát động Q và phản lực N tạo thành một lực R hướng dọc theo thanh 1.

d -đường kính khớp quay.
D- đường kính ngoài của con lăn.
L-khoảng cách các khớp quay của thanh truyền. f-hệ số ma sát trượt tại khớp quay.
tgΦ1 hệ số ma sát trượt tại tâm con lăn.

Để xác định trị số p ta lập sơ đồ hình 3-33.
r là bán kính các lỗ của thanh truyền, từ tâm lỗ ta vẽ hai vòng tròn ma sát có bán kính p=r-f, góc của đường tiếp tuyến XX và đường nối tâm AB chính là góc β. Vẽ đường CB song song với tiếp tuyến XX, điểm C sẽ cách tâm A một khoảng 2p.
Từ tam giác vuông ACB , ta có :

Do đó, khi thiết kế cơ cấu này phải chọn chiều dài của thanh và phải tính toán dể đảm bảo hành ưình kẹp. Khi gá dặt phôi có kích thước bé nhất trong cả loạt thì vị ưí của thanh truyền khi kẹp phải tạo một góc a=5°.

6-2. Cơ cấu phóng đại lực kẹp hai thanh truyền kẹp một phía.

Trường hợp cơ cấu lí tưởng (không có ma sát), từ tam giác lực trên hình 3 -34a, ta có :

Ở đây góc p, cũng giống như trên, có tính đến hệ số ma sát trên các khớp quay.

Đối với có cấu có con tntợt (hình 3-34b), ngoài ma sát trên các khớp quay còn phải tính đến ma sát của con trượt và công thức có dạng :

 

6-3. Cơ cấu phóng đại lực kẹp hai thanh truyền kẹp hai phía.

Những cơ cấu này có thể xem như hai cơ cấu kẹp một thanh truyền (xem hình 3-34c,d).Trường hợp lí tưởng (coi như không có ma sát), lực kẹp tổng cộng được xác định theo công thức :

6-4. Cơ cấu phóng đại lực kẹp hằng khí nén- dầu ép.

Hình 3-35 là một loại phóng đại lực kẹp truyền động bằng khí nén và dầu ép có thể tích rất nhỏ gọn, kết cấu đơn giản mà tỉ số truyền lực rất lớn.
Nguyên lí làm việc của cơ cấu như sau: Khí nén có áp suất pk di vào buồng trái của xi lanh 2 tác dụng lên piston 4 có đường kính D làm cho nó chuyển dịch về bên phải. Áp lực trên cả Piston là Q1= Pk x (π. D1 bình)/4= Q. Ấp lực này lại được cán  piston truyền đến buồng dầu bên phải với diện tích cán nhỏ đi (đường kính d), vì thế tạo ra áp suất Pd càng lớn :

Nếu S1=50mm, d=3cm, D2 =20cm, thì S2=3 bình /20 bình x5=0,11 cm. Như vậy hành trình kẹp rất nhỏ.
– Để khắc phục, ta dùng kết cấu như hình 3-36 vừa bảo đảm lực kẹp vừa bảo đảm hành trình kẹp dài. Nguyên lí làm việc của nó như sau : Khí nén vào buồng số 9 đẩy piston 1 về phía phải. Cán 2 của piston làm rồng để dầu ở buồng A thông vổi dầu ổ buồng B. Vì thế khi piston 1 lùi về phải thi khối dầu A vã 13 sẽ dẩy piston 5 rất nhanh cho đến khi cán 6 chạm vào mặt bị kẹp 7. Dó là hành trình dài trước khi kẹp chặt. Sau đó khí nén tiếp tục đẩy piston 1 cho đến khi lỗ rỗng của cán 2 thông từ buồng A sang buồng B bị óng 3 bịt kín (khi phần lồ chui vào ống 3) thì buồng A và buồng B cách li gần nhau và tình hình lại trở lại như hình 3-35, tác dụng phóng đại bắt đầu, lúc này mới bắt đầu kẹp chặt vật 7.
Lò xo 8 có tác dụng giữ cho áp lực của dầu ổn định và tránh xung lực quá đột ngột đói vói piston 5.